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不同燃料电池技术的比较研究

S. Mekhilefa，R. Saidurb， A. Safaria

摘要：燃料电池在氧和氢发生电化学反应时产生电、热和水。燃料电池技术可以为无法进入公共电网的农村地区提供能源，或者在布线和输电成本高昂的地方提供能源，是为农村地区提供能源的一种很有前景的方法。此外，具有基本安全电能需求的应用，如不间断电源（UPS）、发电站和分布式系统，也可以使用燃料电池作为能源。本文对燃料电池的基本设计、工作原理、应用、各种技术的优缺点进行了比较研究。此外，还比较了氢燃料电池汽车（FCV）和内燃机汽车（ICEV）的技术经济特性。结果表明，燃料电池系统设计简单、可靠性高、运行无噪音、效率高、环境影响小。本文的研究目的是为燃料电池发电综述提供一个方便的参考。

1. 介绍

燃料电池基本上是开放的热力学系统。燃料电池技术是一种很有前途的替代化石燃料的能源，它可以为农村地区提供能源，因为农村地区没有公用电网或需要花费巨大的布线和输电成本。此外，具有基本安全电能需求的应用，如不间断电源（UPS）、发电站和分布式系统，可以使用燃料电池作为能源。表1给出了燃料电池系统和其他发电系统之间的一般比较。

表1.燃料电池与其他发电系统的比较

表格1表明燃料电池系统与传统的分布式能源系统相比具有最高的效率。它们设计简单且运行可靠。此外，利用氢气作为反应物使其成为最环保，无噪音的能源系统。目前，燃料电池系统广泛用于小规模以及大规模应用：例如热电联产（CHP）系统、移动电源系统、便携式计算机和军用通信设备。

尽管有这些优点，但使用燃料电池还是有一些局限性。例如，燃料电池的寿命因脉冲需求和气流中的杂质而缩短。燃料电池技术的发展还面临着低功率密度、低可及性和低耐用性的挑战。虽然还没有取得重大突破，但近年来也取得了积极进展。

1. 燃料电池的工作原理

燃料电池通过电化学反应产生电和热，这实际上是反向电解反应。它发生在氧和氢之间并形成水。燃料电池有一系列可用的设计；但是，它们都是以相同的基本原理工作的。不同燃料电池设计的主要区别在于电解质的化学特性。式（1）表示电化学反应，图1描述了燃料电池的工作原理。

图1.燃料电池的工作原理

2H₂(g) O₂(g) →2H₂O 能量

（1）

氢 氧→ 水 （电力 热量）

对于各种类型的燃料电池，氧和氢之间产生电性的反应是不同的。在酸性电解质燃料电池中，在阳极上电离的氢气释放出电子和质子。所产生的电子通过电路并移动到阴极，而质子则通过电解质输送。这种交换释放电能。在阴极侧，水是由电极上的电子和电解质上的质子反应而形成的。在阳极和阴极发生的反应分别如式（2）和（3）所示。

阳极： 2H₂→ 4H 4eminus; （2）

阴极： O₂ 4eminus; 4H → 2H₂O （3）

酸性电解质和某些含有游离H 离子的聚合物通常被称为“质子交换膜”。他们提供更多的服务，正确有效的质子传递功能，因为它们只允许H 离子通过。在通过电解质传递电子的情况下，电流会丢失。

1. 燃料电池的类型

燃料电池根据其工作温度、效率、应用和成本而不同。根据燃料和电解质的选择，可将其分为六大类：

- 碱性燃料电池（AFC

- 磷酸燃料电池（PAFC）

- 固体氧化物燃料电池（SOFC）

- 熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

- 质子交换膜燃料电池（PEMFC）

- 直接甲醇燃料电池（DMFC）

3.1碱性燃料电池（AFC）

AFC利用碱性电解质氢氧化钾（KOH）在水基溶液中发电。通过电解质的氢氧根离子的存在可以形成一个电路，并且可以提取电能。

图2.碱性燃料电池

在阳极，2个氢气分子与4个带负电荷的羟基离子结合，释放4个水分子和4个电子。发生的氧化还原反应是氧化，如（4）式。在该反应中释放的电子通过外部电路到达阴极并与水反应产生（OHminus;）离子。

（氧化）2H₂ 4OHminus;→4H₂O 4eminus; (4)

在阴极，氧分子和2个水分子结合并吸收4个电子，形成4个带负电荷的羟基离子。发生的氧化还原反应如式(5)；

（还原）O₂ 2H₂O 4eminus;→4OHminus; (5)

AFC通常在60至90℃的温度下运行；但是，最近的设计可以在23至70℃的低温下运行。AFC被归类为低成本催化剂的低工作温度燃料电池。在这类燃料电池中，加速阴极和阳极电化学反应最常用的催化剂是镍。AFCS的电气效率约为60%，CHP效率超过80%，它们能发电20千瓦。

美国国家航空航天局首次使用AFC为航天飞机任务提供饮用水和电力。目前，它们被用于潜艇、船只、叉车和运输应用。由于使用的电解质是标准化学氢氧化钾（KOH），因此AFC被认为是最具成本效益的燃料电池。其电极催化剂是镍，与其他类型的催化剂相比，镍并不昂贵。由于消除了双极板，AFC结构更简单。他们消耗氢和纯氧来生产便携式水、热和电。AFC产生的副产品水是饮用水，在航天器和航天飞机飞行中非常有用。它们没有温室气体排放，并且运行效率高达70%左右。尽管AFC有很多优点，但是它们很容易被二氧化碳毒死。AFCS中使用的水基碱性溶液（KOH）作为电解质，通过将KOH转化为碳酸钾来吸收二氧化碳，从而使燃料电池中毒。因此，AFC通常使用净化空气或纯氧，这反过来又增加了运营成本。

3.2磷酸燃料电池（PAFC）

磷酸燃料电池（PAFC）使用碳纸电极和液态磷酸（H₃PO₄）电解质。H₃PO₄是一种无色透明液体，用于化肥、洗涤剂、食品调味剂和药品。磷酸的离子电导率在低温下较低，因此PAFC可以在150-220℃的温度范围内工作。这种燃料电池中的电荷载体是氢离子（H 或质子）。它们通过电解质从阳极到阴极，排出的电子通过外部电路返回阴极并产生电流。在阴极侧，在铂催化剂的存在下，电子、质子和氧发生反应，形成水加速反应。排出的水通常用于加热应用。连续运行和系统启动是40℃时的一个问题，因为在该温度下磷酸是固体。

图3. 磷酸燃料电池

如图所示，在阳极排出的氢分裂成4个质子和4个电子。在阳极中发生的氧化反应如下所述(6)。在阴极处，发生还原反应(7)，其中4个质子和4个电子与氧结合形成水。

（氧化）2H₂ →4H 4eminus; (6)

（还原）O₂ 4H 4eminus;→2H₂O (7)

电子和质子分别通过外部电路和电解质。结果是产生电流和热量。通常利用热量来加热或在大气压下产生蒸汽；然而，蒸汽重整反应在电极周围产生一些一氧化碳（CO），这可能使燃料电池中毒并影响PAFC性能。降低CO吸收的解决方案是增加阳极温度耐受性。对CO的较高耐受性意味着阳极处的温度耐受性较高。在高温下，CO在阴极的反向电催化反应中吸收。与需要水导电性的其他酸性电解质相反，PAFC浓磷酸电解质能够在高于水的沸点的温度下操作。

由于二氧化碳不影响电解质或电池性能，因此PAFC不需要纯氧操作。它们在空中运行，可以使用改良的化石燃料轻松操作。此外，H₃PO₄具有较低的挥发性和长期稳定性。初始成本很高，因为PAFC使用含21％氧气的空气代替纯氧，导致电流密度降低3倍。因此，PAFC设计为堆叠双极板以增加电极面积以实现更多能量生产，这意味着该技术的初始成本高。目前，PAFC系统处于商业阶段，容量高达200千瓦，具有更高容量的系统已经过测试。由于需要在电极上涂覆精细分散的铂催化剂，PAFC的制造成本很高。与AFC不同，氢蒸汽杂质不会影响PAFC。这种燃料电池的电效率在40％至50％之间，CHP效率约为85％。它们通常用于现场固定应用。

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3.3固体氧化物燃料电池（SOFC）

固体氧化物燃料电池（SOFC）是具有金属氧化物固体陶瓷电解质的高温燃料电池。图4显示了一个SOFC。

图4. 固体氧化物燃料电池

SOFC通常使用通过内部重整烃燃料和空气作为燃料电池中的氧化剂形成的氢和一氧化碳的混合物。氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是最常用的SOFC电解质，因为它具有高化学和热稳定性以及纯离子电导率。

氧气在阴极（空气电极）的还原反应中在1000 ◦C下被氧化，而在阳极处发生燃料氧化。阳极应该是多孔的以引导燃料并将燃料氧化产物从电解质和燃料电极输送出去。

（氧化）（1/2）O₂ （g） 2eminus;→O2minus;（s） (8)

（还原）O2minus;（s） H₂（g）→H₂O（g） 2eminus; (9)

SOFC很好地采用了具有数百MW的容量的大规模分布式发电系统。副产品热量通常用于通过转动燃气轮机产生更多电力，从而将CHP效率提高70％至80％。SOFC系统可靠，模块化，燃料适应性低，有害气体（NOx 和SOx）排放量低。它们可以被视为农村地区的本地发电系统，无法使用公共电网。此外，它们具有无噪音操作和低维护成本。

另一方面，长启动和冷却时间以及各种机械和化学兼容性问题限制了SOFC的使用。作者已经研究了降低工作温度的可能解决方案，并声称如果能够建立成功和可持续的反措施，SOFC可能会将能源生产带给新一代。

3.4熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）

熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）是高温燃料电池。他们使用熔融碳酸盐混合物作为电解质悬浮在多孔、化学惰性的beta;-氧化铝固体电解质陶瓷基（BASE）中。 MCFC如图5所示。

图5. 熔融碳酸盐燃料电池

氢电极处的反应发生在氢燃料和碳酸根离子之间，其反应形成二氧化碳、水和电子。在阳极，甲烷和水转化为氢气、一氧化碳和二氧化碳。

CH₄ H₂O→CO 3H₂ (10)

CO H₂O→CO₂ H₂ (11)

同时，两个电化学反应消耗氢和一氧化碳并在阳极产生电子。两个反应都在(12) 和(13) 使用电解质中可用的碳酸根离子；

（氧化1）H₂ CO₃2minus;→H₂O CO₂ 2eminus; (12)

（氧化2）CO CO₃2minus;→2CO₂ 2eminus; (13)

还原发生在阴极并从氧气和二氧化碳中排出新的碳酸根离子。由此，在阴极处产生的碳酸根离子通过电解质转移到阳极。可以在电极处收集电流和电池电压。

（还原）（1/2）O₂ CO₂ 2eminus;→CO₃2minus; (14)

MCFC目前用于电力，工业和军事应用中的天然气和煤基发电厂。MCFC的优点和缺点与其高工作温度密切相关。MCFC可以直接用氢气，一氧化碳，天然气和丙烷作为燃料。它们不需要贵金属催化剂用于电化学氧化和还原。他们也不需要任何基础设施开发来安装；但是，需要很长时间才能达到工作温度并产生电能